Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения. Трансформаторы так же применяются для преобразования числа фаз и частоты.

Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника), набранного из тонких, изолированных друг от друга листов электротехнической стали, и не менее двух независимых обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода, выполненных изолированным медным проводам. Одна из обмоток с числом витков , которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока напряжением . К другим обмоткам с числом витков , и т.д., которые называются вторичными, подключаются потребители сопротивлением .

Принцип работы: Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Под действием переменного напряжения по первичной обмотке трансформатора протекает ток , который создаёт в сердечнике трансформатора основной переменный магнитный поток Ф. Этот поток, по закону электромагнитной индукции, наводит в обеих обмотках трансформатора ЭДС (в первичной обмотке – ЭДС самоиндукции , во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции ) с действующими значениями:

(1)

где: – амплитудное значение магнитного потока; f – частота переменного тока. Отношение этих ЭДС:

(2)

называется коэффициентом трансформации. При трансформатор является повышающим; при – понижающим; при – согласующим.

Уравнение напряжений трансформатора:

Режимы работы трансформатора:

Трансформатор может работать в трех режимах: холостого хода, под нагрузкой и короткого замыкания.

В режиме холостого хода вторичная обмотка трансформатора разомкнута ( , ). При этом сопротивление нагрузки стремится к бесконечности, вторичное напряжение равняется вторичному ЭДС, ток нагрузки, следовательно, и ток во вторичной обмотке равняются нулю. По первичной обмотке протекает небольшой ток I₀. ЭДС обмоток в режиме холостого хода равны напряжениям на их зажимах.

; ; ; ;

В режиме работы под нагрузкой к вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка , при этом по нагрузке, а следовательно, и по вторичной обмотке трансформатора протечет ток . В режиме работы под нагрузкой напряжение на зажимах вторичной обмотке зависит от силы тока I₂ и характера нагрузки. Зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

Аварийным для трансформатора является режим короткого замыкания при номинальной величине напряжения. В этом случае величина сопротивления нагрузки мала, а токи в обмотках превышают номинальные в десятки раз.

При опыте короткого замыкания (рис 2в) вторичная обмотка (обмотка НН) трансформатора замкнута накоротко ( ), при этом вторичное напряжение , а к первичной обмотке (обмотке ВН) подводят пониженное напряжение , при котором токи короткого замыкания в обмотках трансформатора становятся равным номинальным токам в первичной ( ) и вторичной ( ) обмоток. При опыте короткого замыкания измеряют: напряжение короткого замыкания ; мощность короткого замыкания , которая полностью идёт на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора.

Потери и КПД трансформатора:

Первичная (потребляемая) мощность трансформатора:

(14)

Вторичная мощность трансформатора (мощность, переданная в нагрузку):

(15)

Разность между первичной и вторичной мощностями ( ) представляет собой мощность потерь , которые состоят из потерь в магнитопроводе (из-за гистерезиса и вихревых токов) и в обмотках .

Мощность потерь в обмотках (электрические потери) зависят только от нагрузки трансформатора. Их можно определить по данным опыта короткого замыкания через мощность короткого замыкания :

(16)

Потери в магнитопроводе трансформатора зависят от максимального значения магнитной индукции в стали. Так как при номинальном напряжении максимальное значение магнитного потока а, следовательно, и магнитной индукции, остаются равными их значениям в режиме холостого хода, то не зависят от нагрузки и равны мощности потерь холостого хода:

(17)

Уравнение баланса активных мощностей имеет вид:

(18)

Тогда активная мощность, переданная в нагрузку равна:

(19)

КПД трансформатора при любой нагрузке определяется:

(20)

Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, при которой магнитные потери равны электрическим . Отсюда значение коэффициента нагрузки, соответствующее максимальному КПД:

. (21)

Обычно КПД трансформатора имеет максимальное значение при .

Т-образная схема замещения приведённого трансформатора (магнитная связь между первичной и вторичной цепями заменена электрической связью).

Зависимость коэффициента полезного действия трансформатора от коэффициента нагрузки. Трехфазные трансформаторы.

Трёхфазный трансформатор состоит из трёхстержневого магнитопровода. На каждом стержне расположены обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения одной фазы (рис. 7). Выводы обмоток трансформатора принято обозначать следующим образом: обмотки ВН – начало обмоток А, В, С, соответствующие концы X, Y, Z; обмотки НН – начало обмоток a, b, c, соответствующие концы x, y, z.

Первичные и вторичные обмотки трёхфазного трансформатора могут быть соединены звездой (Y), звездой с выведенной нейтральной точкой (Y₀), треугольником (Δ) и зигзагом ( ).

Вторичные обмотки трёхфазного трансформатора соединяются с фазными нагрузками. Если нагрузки фаз равны по величине и одинаковы по характеру, то такая нагрузка называется симметричной. В случае, когда нагрузки в фазах не равны по величине, или разные по характеру то такая нагрузка называется несимметричной.

Несимметричная нагрузка приводит к нарушению симметрии линейных и фазных напряжений трансформатора. Это отрицательно сказывается как на работе самого трансформатора, так и на работе подключенных к его вторичным зажимам приемников. В частности, несимметрия напряжения приводит к: ухудшению рабочих характеристик электродвигателей и увеличение их нагрева из-за появления обратно-синхронных полей; перегорание ламп накаливания при повышении напряжения или недоиспользование их светового потока при понижении напряжения; выходу из строя бытовых электроприборов и электрооборудования и др.

Группы соединений обмоток трансформатора

Группой соединения обмоток трансформатора называют условное число, характеризующее сдвиг по фазе одноименных линейных напряжений обмоток НН, СН и ВН. Это число, умноженное на 30^o, дает угол отставания в градусах векторов линейных напряжений обмоток НН и СН по отношению к векторам соответствующих линейных напряжений обмотки ВН.

Для определения группы можно использовать следующее мнемоническое правило. Представим векторы линейных напряжений обмоток в качестве минутной (ВН) и часовой (НН) стрелок на циферблате часов. Установим вектор ВН на 12 часов; тогда вектор НН будет указывать на группу трансформатора.

В однофазном трансформаторе угол сдвига между первичной и вторичной эдс может принимать всего 2 значения:  = 0,  = 180.

В трехфазном трансформаторе угол сдвига между эдс или напряжениями высокой и низкой сторонами может принимать значения от 0 до 360 через 30. Поэтому сдвиг фаз между одноименными линейными эдс принято выражать группой соединений, для чего принимается ряд чисел от 0 до 11.

Группа 0 Группа 6 Группа 11 Группа 5

Различные группы получают сочетанием определенных схем соединения фаз обмоток с маркировкой зажимов этих фаз по стержням трансформатора. Четные группы образуются при однотипных схемах соединения обмоток ВН и НН (Y/Y, /, / ), нечетные – при разнотипных схемах соединения (Y/, /Y и т.п.).

Группы соединения 0, 6, 11, 5 называются основными. У основных групп катушки фаз с одинаковой маркировкой выводных зажимов располагаются на одних и тех же стержнях, у производных (все остальные) – на различных. Производные группы соединения обмоток получаются из основных путем круговой перемаркировки зажимов.

Согласно ГОСТу 11677-65, трансформаторы и автотрансформаторы должны выполнятся со следующими схемами и группами соединения обмоток:

1. звезда – звезда с нулевым выводом, Y/Y₀ – 0 (12);

2. звезда – треугольник, Y/ – 11;

3. звезда с нулевым выводом – треугольник, Y₀/ – 11;

4. треугольник – звезда с нулевым выводом, /Y₀ – 11;

5. звезда – зигзаг с нулевым выводом, Y/ ₀ –11;

6. звезда с нулевым выводом – звезда с нулевым выводом – треугольник, Y₀/Y₀/ – 0,11;

7. звезда с нулевым выводом – треугольник – треугольник, Y₀// – 11,11.

Звезда – звезда 0. Звезда – треугольник 11.